無斷料3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

祝國(guó)慶，王海宇，朱芝俊，張海錄

(黑龍江科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

隨著科技的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)也逐漸成熟起來。作為現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備之一，3D打印技術(shù)日新月異，不僅推動(dòng)了新材料、新技術(shù)、新工藝的發(fā)展，而且還創(chuàng)新了各種功能。

1 無斷料3D打印機(jī)裝置的設(shè)計(jì)背景

1.1 3D打印機(jī)的發(fā)展背景

隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，如今，工作和生活中很多方面都離不開打印機(jī)，因此，打印機(jī)的不斷改進(jìn)已成為科技發(fā)展的一個(gè)重要方面。3D打印機(jī)(FDM)是由一定的打印原料加熱融化、隨后在一定條件下變?yōu)槌善?。打印過程中，材料不足時(shí)存在打印中斷問題；材料快要耗盡時(shí)需要人為更換材料浪費(fèi)時(shí)間；打印材料不足以打印成成品。根據(jù)人們?cè)诠ぷ骱蜕钪袑?duì)3D打印機(jī)的要求，需要研究和設(shè)計(jì)出一種省時(shí)、精確換材、無斷料的3D打印機(jī)，以此解決以上存在的問題。

1.2 3D打印機(jī)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展前景

1.2.1 國(guó)際上的發(fā)展情況

經(jīng)過多年的探索，打印技術(shù)在國(guó)際上有了飛速發(fā)展。目前，已經(jīng)可以在0.01 mm的層厚上打印，并且可以形成24位色彩打印。在世界3D打印機(jī)行業(yè)中，USA的3D Systems與Stratasys兩家集團(tuán)的產(chǎn)品占有大部分市場(chǎng)份額。其中，3D Systems企業(yè)的實(shí)力最強(qiáng)，基本上代表了3D打印技術(shù)當(dāng)下的技術(shù)水準(zhǔn)和以后的發(fā)展方向，其還可以為專業(yè)人士及相應(yīng)消費(fèi)者提供3D打印系統(tǒng)。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，3D打印技術(shù)早就開始了商業(yè)模式，如在消耗電子產(chǎn)品業(yè)、宇航業(yè)和汽車建造業(yè)等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以以較小的成本、較高的效率產(chǎn)出少量的特定構(gòu)件，從而完成復(fù)雜而精準(zhǔn)的組裝。如今，各國(guó)3D打印機(jī)制作行業(yè)均處在急劇的購(gòu)買與合并過程中，行業(yè)巨擎正快速崛起。

1.2.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展情況

近年來，我國(guó)開始主動(dòng)研發(fā)3D打印技術(shù)。國(guó)內(nèi)快速成型技術(shù)的研發(fā)工作始于20世紀(jì)80年代末，在時(shí)間點(diǎn)上和國(guó)際上保持一致，已經(jīng)形成了北航、華中科大、西安交大、清華大學(xué)四大研發(fā)中心，在科研水平上已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際一流水準(zhǔn)。五道口在今代成型學(xué)說、分層實(shí)體制作、FDMT藝等方向擁有很好的科學(xué)研究方向。在分層實(shí)體制作工藝方向上，華中科大有不俗的成績(jī)，并已公布了HRP系列成形機(jī)器和成型材料。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)擁有3D打印設(shè)備進(jìn)行貿(mào)易運(yùn)作的實(shí)業(yè)公司有：光韻達(dá)、金運(yùn)激光、中航重機(jī)等，這些集團(tuán)基本形成了3D打印機(jī)的集體制作與出售團(tuán)隊(duì)。但是，由于我國(guó)近年才引入3D打印技術(shù)，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，還有很大差距，主要體現(xiàn)在技術(shù)和市場(chǎng)應(yīng)用方面，研發(fā)水平不高，與市場(chǎng)銜接度較低，目前還未產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。有專家預(yù)測(cè)，打開市場(chǎng)后，2020年，我國(guó)的打印市場(chǎng)有望突破2000億元，前景無限廣闊。

2 無斷料3D打印機(jī)

2.1 無斷料3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖1可見，知限位開關(guān)(1)、(1′)和擠出機(jī)連接在一起，擠出機(jī)(4)、(4′)由壓力調(diào)節(jié)(2)、(2′)和主力支架(3)、(3′)構(gòu)成，擠出機(jī)和步進(jìn)電機(jī)(5)、(5′)鉸鏈在一起，使材料在輸料管(6)、(6′)中運(yùn)輸，經(jīng)過三向轉(zhuǎn)接頭(7)，通過喉管到達(dá)(8)中的加熱塊加熱融化，經(jīng)過外面的散熱扇散熱，在噴嘴處擠出來，在步進(jìn)電機(jī)和螺絲杠桿(11)、(11′)(控制X軸、Z軸既左右和上下的運(yùn)動(dòng))和熱床(9)(在Y軸既前后移動(dòng))的運(yùn)行下，最終在熱床(9)上成型，3D打印機(jī)的整體效果在(10)的固定下保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 無斷料3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of continuous feeding 3D printer device

2.2 無斷料3D打印機(jī)裝置的工作過程

插通電源，輸入需打印的文件信息，在步進(jìn)電機(jī)和擠出機(jī)的作用下，打印材料從左邊的限位開關(guān)進(jìn)入，隨后進(jìn)入輸料管中，經(jīng)過三向輸料管進(jìn)入豎直方向的輸料管，之后，在(8)處的加熱塊處加熱融化，并在風(fēng)扇和散熱管的作用下散熱以防損壞，隨后在噴嘴處擠出融化的線條，在步進(jìn)電機(jī)和螺絲杠桿的控制下，完成三維打印。若在打印途中，打印材料缺失，此時(shí)限位開關(guān)(1)不被材料擠壓從而發(fā)出信號(hào)。設(shè)此時(shí)限位開關(guān)到擠出機(jī)底部的距離為X，由cura上的擠出速度V計(jì)算T：

主板接收到信號(hào)后，在T時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(2′)，隨后把打印材料送入輸料管(6′)中繼續(xù)打印，最終完成模型打印。

3 無斷料3D打印機(jī)裝置的創(chuàng)新點(diǎn)

此裝置在原3D打印機(jī)的基礎(chǔ)上，新增加了一對(duì)限位開關(guān)、一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和擠出機(jī)。當(dāng)需要打印一個(gè)比較大的物件、并且現(xiàn)有打印機(jī)上剩余材料不足的時(shí)候，可以充分利用剩余的材料繼續(xù)打印。另外，在打印過程中，若出現(xiàn)打印材料缺失、管理人員不在現(xiàn)場(chǎng)(不能手動(dòng)送料)、模型緊急需要的情況下，此裝置的出現(xiàn)解決了這一困難，并且可以連續(xù)打印耗材量較大的模型，且操作簡(jiǎn)單，打印機(jī)可自動(dòng)處理。

4 結(jié)語

無斷料3D打印機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，解決了打印材料缺失、且緊急需要的情況下的打印問題，方便對(duì)模型的打印，節(jié)約了打印時(shí)間，提高了工作效率。此裝置的研發(fā)前景廣闊，具有較大的潛在市場(chǎng)。